JP2016537202A

JP2016537202A - 鋳造方法及び鋳造装置

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Publication number: JP2016537202A
Application number: JP2016531012A
Authority: JP
Inventors: チュンキム，フ; ホイ，チュ; チョルファン，キュ; チャンペ，チュン; モクイ，サン
Original assignee: Korea Institute of Industrial Technology KITECH
Current assignee: Korea Institute of Industrial Technology KITECH
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: DE112014005718T5; DE112014005718B4; KR101529234B1; WO2015108217A1; JP6246360B2

Abstract

本発明は、鋳造回収率が高く、鋳造欠陥が最小化され、鋳造の後工程を省略することができる鋳造方法及びそれを具現する鋳造装置に関するものであって、固液界面の位置、曲率及び液相分率を精密制御するために、金型内に形成された鋳造空間を充填する溶融金属を注入する鋳造方法であって、溶融金属を分割して鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔をおいて不連続的に複数回注入する段階を含み、注入間隔は、溶融金属を複数回注入する間に、金型内に収容された溶融金属の未凝固液相の上面が、金型と離隔せず、当接するように設定される鋳造方法及びそれを具現する鋳造装置を提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、鋳造方法及びそれを具現する鋳造装置に係り、より詳細には、鋳造回収率が高く、鋳造欠陥が最小化されて、健全な単位部品を鋳造する方法及びそれを具現する鋳造装置に関する。

既存の静的鋳造（ｓｔａｔｉｃｓｈａｐｅｃａｓｔｉｎｇ）工程では、全体の溶融金属を１回に注入した後、凝固が完了した後、鋳造品を取り出している。既存の鋳造工程では、液体と固体との密度差によって、液体から固体に凝固する過程で必須的に発生する収縮孔を鋳造品以外の位置に誘導するために、鋳造設計を通じて押湯、湯口、湯道などを設置し、凝固後に、これらを鋳造品と分離する後工程を通じて形状を有する鋳造品を製造している。これによれば、全体鋳造量に対して鋳造品が占める比率である鋳造回収率が６０％程度と低く、後工程による追加コスト及び工程時間がかかって、鋳造品のコスト上昇の主要因となる問題点がある。

本発明は、前記のような問題点を含んで多様な問題点を解決するためのものであって、鋳造回収率が高く、鋳造欠陥が最小化され、鋳造の後工程を省略することができる鋳造方法及びそれを用いた鋳造装置を提供することを目的とする。しかし、このような課題は、例示的なものであって、これにより、本発明の範囲が限定されるものではない。

本発明の一観点による鋳造方法が提供される。前記鋳造方法は、固液界面の位置、曲率及び液相分率を精密制御するために、金型内に形成された鋳造空間を充填する溶融金属を注入する鋳造方法であって、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含む。前記注入間隔は、前記溶融金属を複数回注入する間に、前記金型内に収容された前記溶融金属の未凝固液相の上面が、前記金型と離隔せず、当接するように設定される。

前記鋳造方法で、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属の凝固速度によって、注入速度、注入量、注入間隔及び注入温度のうち何れか１つ以上を調節する段階を含みうる。この際、このような調節する段階では、前記鋳造空間に充填された前記溶融金属の液相量、前記溶融金属の固液界面の位置及び曲率のうち何れか１つ以上を制御することによって、鋳造品内に収縮孔の発生を抑制させることができる。

前記鋳造方法で、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属を順次に注入する度に、前記金型内に収容された前記溶融金属の固液界面の曲率が順次に小さくなるように、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含みうる。

前記鋳造方法で、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属を分割するが、分割された前記溶融金属の少なくとも何れか１つは、分割された前記溶融金属の少なくとも他の何れか１つと容量が互いに異なるように分割し、該分割された前記溶融金属をそれぞれ前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含みうる。

前記鋳造方法で、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属を分割するが、分割された前記溶融金属の少なくとも何れか１つは、分割された前記溶融金属の少なくとも他の何れか１つと容量が互いに異なるように分割し、相対的にさらに大きな容量の前記溶融金属を先に注入し、相対的にさらに小さな容量の前記溶融金属を後で注入するように順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含みうる。

前記鋳造方法で、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属を定量分割して、分割された前記溶融金属をそれぞれ前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含みうる。

前記鋳造方法で、前記金型は、断熱コーティングされた金型を含み、前記溶融金属を注入する段階以前に脱ガス処理する段階をさらに含みうる。

本発明の他の観点による鋳造装置が提供される。前記鋳造装置は、前記鋳造方法を具現する装置であって、金型内に形成された鋳造空間を充填する溶融金属を注入する装置である。前記鋳造装置は、前記溶融金属を収容するメインチャンバと、前記メインチャンバに形成された孔と直接連通されると共に、前記メインチャンバの下部から突設されて、前記溶融金属の出入用流路を提供するノズルと、前記メインチャンバに形成された孔を開閉するように設けられるストッパーと、前記メインチャンバに形成された孔を開閉することによって、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に複数回にわたって順次に注入するが、前記金型内に収容された前記溶融金属の未凝固液相の上面が、前記金型と離隔せず、当接するように設定された注入間隔を置いて不連続的に注入すべく、前記ストッパーの動きを調節する制御部と、を含む。

前記のようになされた本発明の一実施形態によれば、鋳造回収率が高く、鋳造欠陥が最小化され、鋳造の後工程を省略することができる鋳造方法及びそれを具現する鋳造装置を提供することができる。もちろん、このような効果によって、本発明の範囲が限定されるものではない。

本発明の実施形態による鋳造方法を図解するフローチャートである。本発明の実施形態による鋳造方法を具現するための鋳造装置及び金型を図解する図面である。本発明の実施形態による鋳造方法を概要的に図解する図面である。本発明の一実施形態による鋳造方法を図解するフローチャートである。本発明の他の実施形態による鋳造方法を図解するフローチャートである。本発明の実験例によって具現された鋳造材内の収縮孔の態様を図解するグラフである。本発明の実験例によって具現された鋳造材の断面を図解する図面である。本発明の実験例によって具現された鋳造材で鋳造回収率の態様を図解するグラフである。本発明の実験例によって具現された鋳造材で樹枝状距離（ＤＡＳ）の測定結果を示すグラフである。本発明の実験例によって具現された鋳造材でケイ素含量の態様を示すＸ線蛍光分析器（ＸＲＦ）の測定結果を図解するグラフである。本発明の実験例によって具現された鋳造材で硬度の態様を図解するグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の望ましい多様な実施形態を詳しく説明する。

本発明の実施形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであり、下記の実施形態は、さまざまな他の形態に変形され、本発明の範囲が、下記の実施形態に限定されるものではない。むしろ、これら実施形態は、本開示をさらに充実かつ完全にし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。また、図面で、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたものである。

明細書全体に亘って同じ符号は、同じ要素を称する。本明細書で使われたように、用語“及び／または”は、当該列挙された項目のうち何れか１つ及び１つ以上のあらゆる組合わせを含む。本明細書で使われた用語は、特定の実施形態を説明するために使われ、本発明を制限するためのものではない。本明細書で使われたように、単数形態は、文脈上、他の場合を確かに指摘するものではないならば、複数の形態を含みうる。また、本明細書で使われる場合、“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）”及び／または“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”は、言及した形状、数字、段階、動作、部材、要素及び／またはこれらグループの存在を特定するものであり、１つ以上の他の形状、数字、動作、部材、要素及び／またはグループの存在または付加を排除するものではない。

図面において、例えば、製造技術及び／または公差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）によって、示された形状の変形が予想される。したがって、本発明の思想の実施形態は、本明細書に示された領域の特定の形状に制限されたものと解釈されてはならず、例えば、製造上招かれる形状の変化を含まねばならない。

図１は、本発明の実施形態による鋳造方法を図解するフローチャートであり、図２は、本発明の実施形態による鋳造方法を具現するための鋳造装置及び金型を図解する図面であり、図３は、本発明の実施形態による鋳造方法を概要的に図解する図面である。

図１及び図２を参照すれば、本発明の一実施形態による鋳造方法は、金型８０内に形成された鋳造空間８５を充填（ｆｉｌｌｉｎｇ）することができる溶融金属７１を注入する鋳造方法であって、溶融金属７１を分割して鋳造空間８５に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含む。

本発明の一実施形態による鋳造方法は、例えば、第１次溶融金属を注入する段階、第１次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せず、第１次溶融金属の少なくとも一部が凝固する段階、第２次溶融金属を注入する段階、第２次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せず、第２次溶融金属の少なくとも一部が凝固する段階を順次に行い、それと類似した方式の段階を引き続き行って、最終的に、第（Ｎ−１）次溶融金属を注入する段階、第（Ｎ−１）次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せず、第（Ｎ−１）次溶融金属の少なくとも一部が凝固する段階、及び第Ｎ次溶融金属を注入する段階を行うことによって、金型８０の鋳造空間８５を充填して鋳造品を形成しうる。ここで、前記Ｎは、２以上の正の整数である。

前記第１次溶融金属ないし前記第Ｎ次溶融金属は、それぞれ同じ容量を有しうる。この場合、本発明の一実施形態による鋳造方法は、鋳造空間８５に充填される溶融金属７１を定量分割して、分割された前記溶融金属をそれぞれ鋳造空間８５に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含み、このような鋳造方法を、以下で定量注入方式の鋳造方法と名付ける。

一方、前記第１次溶融金属ないし前記第Ｎ次溶融金属のうち少なくとも何れか１つは、少なくとも他の何れか１つと互いに異なる容量を有しうる。この場合、本発明の一実施形態による鋳造方法は、鋳造空間８５に充填される溶融金属７１を分割するが、分割された前記溶融金属の少なくとも何れか１つは、分割された前記溶融金属の少なくとも他の何れか１つと容量が互いに異なるように分割し、該分割された前記溶融金属をそれぞれ鋳造空間８５に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含み、このような鋳造方法を、以下で可変注入方式の鋳造方法と名付ける。

特に、可変注入方式の鋳造方法のうちでも、鋳造空間８５に充填される溶融金属７１を分割するが、分割された前記溶融金属の少なくとも何れか１つは、分割された前記溶融金属の少なくとも他の何れか１つと容量が互いに異なるように分割し、相対的にさらに大きな容量の溶融金属を先に注入し、相対的にさらに小さな容量の溶融金属を後で注入するように順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する鋳造方法が、鋳造品内における収縮孔の発生をさらに効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態による鋳造方法は、鋳造品内における収縮孔の発生を抑制できるように溶融金属７１の凝固速度によって、金型８０に注入される注入速度、注入量、注入間隔及び注入温度のうち何れか１つ以上を調節して、鋳造空間８５に充填された溶融金属７１の液相量、溶融金属７１の固液界面の位置及び曲率のうち何れか１つ以上を制御する段階を含みうる。特に、このような鋳造方法を、以下で、界面制御型漸進鋳造工程（ＩＰＣ、Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＰｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅＣａｓｔｉｎｇ）と名付ける。

図１ないし図３を参照すれば、本発明の一実施形態による鋳造方法は、溶融金属７１を分割して鋳造空間８５に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含み、前記注入間隔は、溶融金属７１を複数回注入する間に、金型８０内に収容された溶融金属７１の未凝固液相の上面が、金型８０と離隔せず、当接するように設定しうる。

また、本発明の一実施形態による鋳造方法は、溶融金属７１を順次に注入する度に、金型８０内に収容された溶融金属７１の固液界面Ｓ／Ｌの曲率が順次に小さくなるように、溶融金属７１を分割して鋳造空間８５に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含みうる。

例えば、図３の（ａ）を参照すれば、金型８０の鋳造空間内に所定の容量を有する第１次溶融金属を注入し、第１次注入間隔の間に、前記第１次溶融金属の少なくとも一部が凝固されるように保持することができる。この場合、前記第１次注入間隔が経った時点で、金型８０内に収容された前記第１次溶融金属は、凝固した固相７１＿１Ｓとまだ未凝固の液相７１＿１Ｌとに区分され、固相７１＿１Ｓと液相７１＿１Ｌとの固液界面Ｓ／Ｌは、第１曲率を有しうる。

図３の（ｂ）を参照すれば、前記第１注入間隔以後に金型８０の鋳造空間内に所定の容量を有する第２次溶融金属を注入し、引き続き、第２次注入間隔の間に、前記第２次溶融金属の少なくとも一部が凝固されるように保持することができる。この場合、前記第２注入間隔が経った時点で、金型８０内に収容された前記第１次溶融金属は、全部または一部が凝固した固相７１＿１Ｓで存在し、前記第２次溶融金属は、凝固した固相７１＿２Ｓとまだ未凝固の液相７１＿２Ｌとに区分され、固相７１＿２Ｓと液相７１＿２Ｌとの固液界面Ｓ／Ｌは、第２曲率を有しうる。

図３の（ｃ）を参照すれば、前記第２注入間隔以後に金型８０の鋳造空間内に所定の容量を有する第３次溶融金属を注入し、引き続き、第３次注入間隔の間に、前記第３次溶融金属の少なくとも一部が凝固されるように保持することができる。この場合、前記第３注入間隔が経った時点で、金型８０内に収容された前記第２次溶融金属は、全部または一部が凝固した固相７１＿２Ｓで存在し、前記第３次溶融金属は、凝固した固相７１＿３Ｓとまだ未凝固の液相７１＿３Ｌとに区分され、固相７１＿３Ｓと液相７１＿３Ｌとの固液界面Ｓ／Ｌは、第３曲率を有しうる。

本発明の発明者は、溶融金属７１を複数回注入する間に、金型８０内に収容された溶融金属７１の未凝固液相の上面が、金型８０と離隔せず、当接するように（図３で、点線で表示されたＡ領域参照）、前記注入間隔を設定する場合、収縮孔の発生が抑制または最小化されうるということを確認した。

例えば、前記第１次溶融金属を注入する段階と前記第２次溶融金属を注入する段階との間に介在される前記第１次注入間隔は、金型８０内に収容された第１次溶融金属の未凝固液相７１＿１Ｌの上面が、金型８０と離隔せず、当接するように設定しうる。もし、前記第１次注入間隔を徒過した時点で前記第２次溶融金属を注入するならば、前記第２次溶融金属を注入する以前に前記第１次溶融金属の未凝固液相７１＿１Ｌに対して凝固がさらに進行して、未凝固液相７１＿１Ｌの上面と金型８０が離隔しながら溶湯の水平面に平行な方向に凝固が進行しながら、収縮孔が容易に発生しやすい。

また、本発明の発明者は、溶融金属７１を順次に注入する度に、例えば、金型８０内に収容された第１次溶融金属の固相７１＿１Ｓと液相７１＿１Ｌとによって定義される固液界面Ｓ／Ｌの前記第１曲率よりも第２次溶融金属の固相７１＿２Ｓと液相７１＿２Ｌとによって定義される固液界面Ｓ／Ｌの第２曲率がさらに小さく、第３次溶融金属の固相７１＿３Ｓと液相７１＿３Ｌとによって定義される固液界面Ｓ／Ｌの前記第３曲率が、前記第２曲率よりもさらに小さくなるように、溶融金属７１を分割して鋳造空間８５に順次に注入する場合、収縮孔の発生が抑制または最小化されうるということを確認した。ここで、曲率とは、曲率半径の逆数であり、曲率半径は、曲線（固液界面）の一部を円弧と見なす時、前記円弧の半径を意味する。

一方、本発明の一実施形態による鋳造方法を具現する鋳造装置１は、金型８０内に形成された鋳造空間８５を充填する溶融金属７１を注入する装置である。鋳造装置１は、溶融金属７１を収容するメインチャンバ４０と、メインチャンバ４０に形成された孔４０ａと直接連通されると共に、メインチャンバ４０の下部から突設されて溶融金属７１の出入用流路を提供するノズル３４と、メインチャンバ４０に形成された孔４０ａを開閉するように設けられるストッパー４１と、メインチャンバ４０に形成された孔４０ａを開閉することによって、溶融金属７１を分割して鋳造空間８５に複数回にわたって順次に注入するが、金型８０内に収容された溶融金属７１の未凝固液相の上面が、金型８０と離隔せず、当接するように設定された注入間隔を置いて不連続的に注入すべく、ストッパー４１の動きを調節する制御部９０と、を含む。

ストッパー４１は、メインチャンバ４０の孔４０ａを開閉するように構成される。一実施形態において、ストッパー４１は、メインチャンバ４０だけではなく、ヒーター部を貫通してケース外に延びる棒状からなりうる。ケース３０の上部には、空圧シリンダー４５が設けられて、ストッパー４１の昇降を可能にする。ストッパー４１が、メインチャンバ４０の孔４０ａと接する部分はテーパーが形成されて、ノズル３４の内部開口を徐々に開放及び閉鎖するように構成することができる。

制御部９０は、空圧シリンダー４５を通じてストッパー４１の動きを制御することができる。さらに、制御部９０は、例えば、メインチャンバ４０に収容された溶融金属７１の重さ及び／または圧力を測定することによって、所定の容量を有する溶融金属７１をメインチャンバ４０の孔４０ａを通じてノズル３４に流出されるようにストッパー４１の昇降時間を決定することができる。

前述した構成要素を含む鋳造装置１は、多様な形態として具現されうるので、図２に示された構成によって、本発明の技術的思想に限定されるものではないことを理解しながら、鋳造装置１の残りの構成について説明する。

鋳造装置１は、ケース３０、ケース３０の内部に設けられる耐火物製ヒーター部３１、ヒーター部３１のメインチャンバ側の内壁面に埋設されるヒーター熱線３２、ガス注入用パイプ５１、及び真空形成用パイプ６１をさらに含んで構成することができる。

ケース３０は、外部から密閉された筒状を有する。ケース３０の内部に設けられるヒーター部３１は、耐火物で作られて内部に収容される溶融金属７１の熱が外部への放出を断熱して溶融金属７１の温度低下を最小化する。また、ヒーター部３１の内部に埋設されたヒーター熱線３２には、電源３３が連結される電熱ヒーターで構成される。電源３３は、ヒーター３２に外部電源を印加するように構成された電源及び電気線で形成され、電気線は、メインチャンバ４０の壁体内部に設けられたヒーター３２でメインチャンバ４０と後述するケース３０とを貫通して外部に延びる。

ガス注入用パイプ５１は、メインチャンバ４０の内部に窒素や不活性ガスを注入できるように提供される。真空形成用パイプ６１は、メインチャンバ４０の内部に存在するガス及び空気を外部に排出するようにガス注入用パイプ５１と同様にケース３０を貫通して外部に連結された管で構成される。ガス注入用パイプ５１と真空形成用パイプ６１とにガスタンク５０と真空タンク６０とがそれぞれ連結される。真空タンク６０は、ケース３０の外部に突出した真空形成用パイプ６１に連結されたタンクで構成され、真空タンク６０に結合された真空ポンプの動作によって、真空タンク６０には真空圧が形成されている。

鋳造装置１は、場合によっては、レードルの形態を有し、前記レードルは、作業場の天井に設けられたレール１０に設けられたホイストのような引き揚げ設備によって昇降されると共に、レール１０に沿って移動することもできる。この場合、ケース３０は、ヒーター部３１及びメインチャンバ４０を内部に収容して取り囲むように形成され、上部には、掛け金部材１２が形成されて別途のワイヤなどを用いてレール１０に設けられた引き揚げ設備によって昇降されると共に、前記レール１０に沿って移動することができる。一方、鋳造装置１は、前記レードルの形態ではなく、地上に固定されたメインフレーム上に配置されることもある。

以下で、本発明の理解を助けるために、前述した技術的思想を適用した場合を含む実験例を説明する。但し、下記の実験例は、本発明の理解を助けるためのものであり、本発明が、下記の実験例によって限定されるものではない。

表１は、Ａｌ−７重量％Ｓｉ合金を多様な鋳造方法で具現した実験例を示したものである。本実験例で、金型８０は、ＳＫＤ６１材で製造し、金型８０の大きさは、内径６０ｍｍ、長さ３５０ｍｍであり、５７３Ｋの温度で金型８０を予熱した後に１０２３Ｋの溶融金属注入温度を保持しながら行った。

実験例１ないし実験例７で、鋳造空間８５を充填するための溶融金属７１の全体容量は、共通して２７００ｇである。

実験例１は、通常の鋳造方法であって、金型８０の鋳造空間８５に全体の溶融金属を１回にいずれも注入する方法を適用した。

実験例２ないし実験例４は、前述した定量注入方式の鋳造方法であって、金型８０の鋳造空間８５に充填される溶融金属７１を定量分割して、分割された前記溶融金属をそれぞれ鋳造空間８５に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階からなる鋳造方法を適用した。

例えば、図４に図示したように、実験例２による鋳造方法は、５４０ｇ容量の第１次溶融金属を注入する段階（ステップＳ１０１）、７．５秒の第１次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ１０２）、５４０ｇ容量の第２次溶融金属を注入する段階（ステップＳ１０３）、７．５秒の第２次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ１０４）、５４０ｇ容量の第３次溶融金属を注入する段階（ステップＳ１０５）、７．５秒の第３次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ１０６）、５４０ｇ容量の第４次溶融金属を注入する段階（ステップＳ１０７）、７．５秒の第４次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ１０８）、及び５４０ｇ容量の第５次溶融金属を注入する段階（ステップＳ１０９）を含む。

実験例５ないし実験例７は、前述した可変注入方式の鋳造方法であって、金型８０の鋳造空間８５に充填される溶融金属７１を分割するが、分割された前記溶融金属の少なくとも何れか１つは、分割された前記溶融金属の少なくとも他の何れか１つと容量が互いに異なるように分割し、該分割された前記溶融金属をそれぞれ鋳造空間８５に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階からなる鋳造方法を適用した。特に、実験例５ないし実験例７では、コンピュータ模擬実験を通じて得た資料を根拠とした凝固速度によって、１回注入量、注入時間、注入間隔などを調整した。

さらに、実験例５ないし実験例７では、鋳造空間８５に充填される溶融金属７１を分割するが、分割された前記溶融金属の少なくとも何れか１つは、分割された前記溶融金属の少なくとも他の何れか１つと容量が互いに異なるように分割し、相対的にさらに大きな容量の溶融金属を先に注入し、相対的にさらに小さな容量の溶融金属を後で注入するように順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する鋳造方法を適用した。

例えば、図５に図示したように、実験例５による鋳造方法は、１２００ｇ容量の第１次溶融金属を注入する段階（ステップＳ２０１）、４秒〜１０秒の第１次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ２０２）、３００ｇ容量の第２次溶融金属を注入する段階（ステップＳ２０３）、４秒〜１０秒の第２次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ２０４）、３００ｇ容量の第３次溶融金属を注入する段階（ステップＳ２０５）、４秒〜１０秒の第３次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ２０６）、３００ｇ容量の第４次溶融金属を注入する段階（ステップＳ２０７）、４秒〜１０秒の第４次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ２０８）、３００ｇ容量の第５次溶融金属を注入する段階（ステップＳ２０９）、４秒〜１０秒の第５次注入間隔の間に、追加的な溶融金属を注入せずに保持する段階（ステップＳ２１０）、及び３００ｇ容量の第６次溶融金属を注入する段階（ステップＳ２１１）を含む。

本実験例で、注入回数（ｐｏｕｒｉｎｇｃｙｃｌｅ）、１回注入量（ｐｏｕｒｉｎｇｑｕａｎｔｉｔｙｐｅｒｏｎｅｃｙｃｌｅ）、注入間隔（ｐｏｕｒｉｎｇｉｎｔｅｒｖａｌｔｉｍｅｂｅｔｗｅｅｎｐｏｕｒｉｎｇｃｙｃｌｅ）などが収縮孔に及ぼす影響を説明する。

図６は本発明の実験例によって具現された鋳造材内の収縮孔の態様を図解するグラフであり、図７は、本発明の実験例によって具現された鋳造材の断面を図解する図面である。

本発明の実験例によって具現された鋳造材１００の断面を見れば、収縮孔（Ｓ；Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）が発生するので、収縮孔Ｓは、注入温度から液相温度への熱収縮、液相温度から固相温度への熱収縮、液相から固相への相変化などに起因する。特に、溶融金属７１の凝固時に、液相と固相との密度差によって発生する収縮孔Ｓによって鋳造材１００の内部欠陥が発生するので、このような収縮孔Ｓの発生を抑制する鋳造方法が要求されている。

図６に示されたグラフで横軸は、実験例１（＃１）ないし実験例７（＃７）を示し、縦軸は、全体鋳造材に対する収縮孔の比率を示す。これによれば、実験例１（＃１）ないし実験例４（＃４）を参照すれば、注入回数当たり注入量を一定に保持しながら注入回数を細分化する場合、注入回数が増加するほど収縮孔Ｓの体積が、７ｖｏｌ．％から１．６ｖｏｌ．％に減少した。

また、界面制御型漸進鋳造工程を適用した実験例５（＃５）ないし実験例６（＃６）を参照すれば、注入回数が増加するほど収縮孔Ｓの体積が減少した。また、界面制御型漸進鋳造工程を適用した実験例７（＃７）では、断熱コーティングされた金型８０に溶融金属７１を注入する段階以前に脱ガス処理をさらに進行し、この場合、収縮孔Ｓの体積は、０．３ｖｏｌ．％に急減した。

図７の（ａ）は、通常の鋳造方法を適用した実験例１によって具現された鋳造材１００から観察された断面態様を図示したものであり、図７の（ｂ）は、前述した定量注入方式の鋳造方法を適用した実験例２ないし実験例４によって具現された鋳造材１００から観察された断面態様を図示したものであり、図７の（ｃ）は、前述した界面制御型漸進鋳造工程を適用した実験例５ないし実験例７によって具現された鋳造材１００から観察された断面態様を図示したものである。

これによれば、前述した定量注入方式の鋳造方法を適用した実験例２ないし実験例４によって具現された鋳造材１００では、通常の鋳造方法を適用した実験例１によって具現された鋳造材１００よりも観察された気孔Ｈが顕著に減少し、前述した界面制御型漸進鋳造工程を適用した実験例５ないし実験例７によって具現された鋳造材１００では、気孔Ｈがほとんど発見されないことを確認した。

特に、金型８０を断熱コーティングし、脱ガス処理後に界面制御型漸進鋳造工程を適用した実験例７では、鋳造回収率が９９．７％であり、鋳造材全体に亘って鋳造欠陥のない健全な微細組織を観察することができた。

以下、図８を参照して、本発明の実験例によって具現された鋳造材で鋳造回収率と、図９を参照して、本発明の実験例によって具現された鋳造材から測定された樹枝状距離（ＤＡＳ；ＤｅｎｄｒｉｔｅＡｒｍＳｐａｃｉｎｇ）、図１０を参照して、本発明の実験例によって具現された鋳造材でケイ素含量の態様を示すＸ線蛍光分析器（ＸＲＦ）の測定結果、及び図１１を参照して、本発明の実験例によって具現された鋳造材での硬度の態様を説明する。

図８ないし図１１の（ａ）は、全体の溶融金属を１回で全部注入する通常の静的鋳造工程で具現された鋳造材に関するものであり、図８ないし図１１の（ｂ）は、本発明による界面制御型漸進鋳造工程で注入回数を５回で行って具現された鋳造材に関するものであり、図８ないし図１１の（ｃ）は、本発明による界面制御型漸進鋳造工程で注入回数を１０回で行って具現された鋳造材に関するものである。

一方、図９ないし図１１で開示された横軸は、図７に示されたように、鋳造材１００の表面からの距離であるＰ１、Ｐ２、Ｐ３を示し、図９ないし図１１で示されたグラフの凡例で、それぞれ開示された項目は、図７に示されたように、鋳造材１００の上部（Ｔｏｐ）、中央部（Ｍｉｄｄｌｅ）、下部（Ｂｏｔｔｏｍ）を示す。

図８を参照すれば、全体の溶融金属を１回で全部注入する通常の静的鋳造工程で具現された鋳造材よりも界面制御型漸進鋳造工程（ＩＰＣ）を行って具現された鋳造材で鋳造回収率（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）が顕著に高いということを確認することができる。さらに、界面制御型漸進鋳造工程の注入回数が１０回である場合が、注入回数が５回である場合よりも鋳造回収率がさらに高いということを確認することができる。

図９を参照すれば、全体の溶融金属を１回で全部注入する通常の静的鋳造工程で具現された鋳造材よりも界面制御型漸進鋳造工程を行って具現された鋳造材で樹枝状距離の均一度（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）がさらに高いということを確認することができる。さらに、界面制御型漸進鋳造工程の注入回数が１０回である場合が、注入回数が５回である場合よりも樹枝状距離の均一度がさらに高いということを確認することができる。

図１０を参照すれば、全体の溶融金属を１回で全部注入する通常の静的鋳造工程で具現された鋳造材よりも界面制御型漸進鋳造工程を行って具現された鋳造材でケイ素濃度分布の均一度がさらに高いということを確認することができる。さらに、界面制御型漸進鋳造工程の注入回数が１０回である場合が、注入回数が５回である場合よりもケイ素濃度分布の均一度がさらに高いということを確認することができる。

図１１を参照すれば、全体の溶融金属を１回で全部注入する通常の静的鋳造工程で具現された鋳造材よりも界面制御型漸進鋳造工程を行って具現された鋳造材で強度分布の均一度がさらに高いということを確認することができる。さらに、界面制御型漸進鋳造工程の注入回数が１０回である場合が、注入回数が５回である場合よりも強度分布の均一度がさらに高いということを確認することができる。

本発明の一実施形態による界面制御型漸進鋳造工程は、形状を有する単位部品を３Ｄ整形鋳造（３−Ｄｎｅａｒ−ｎｅｔｓｈａｐｅｃａｓｔｉｎｇ）するに当たって、凝固速度によって、溶融金属の注入速度、注入量、注入間隔及び注入温度などを制御して、溶融金属の固液界面（Ｓ／Ｌ；ｓｏｌｉｄｌｉｑｕｉｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を任意の凝固の最後の位置に移動制御するだけではなく、固液界面の曲率（ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）、固液界面前方の液相量などを同時に精密に制御して、鋳造品１００内に収縮孔の発生を抑制させることによって、鋳造回収率が９９％以上である鋳造品を製造することができる工程である。

本発明の一実施形態による界面制御型漸進鋳造工程は、既存の鋳造方法に比べて、鋳造回収率が高く、スプルー、湯道、サイドライザー、ゲート、トップライザーなどを除去する後工程が不要であって、鋳造品の製造コストを低減することができる。

本発明は、図面に示された実施形態を参考にして説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これにより多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されるべきである。

本発明は、鋳造方法及び鋳造装置関連の技術分野に適用可能である。

Claims

金型内に形成された鋳造空間に充填される溶融金属を注入する鋳造方法であって、
前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含み、前記注入間隔は、前記溶融金属を複数回注入する間に、前記金型内に収容された前記溶融金属の未凝固液相の上面が、前記金型と離隔せず、当接するように設定される鋳造方法。
前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、固液界面の位置、曲率及び液相分率を制御するために、前記溶融金属の凝固速度によって、注入速度、注入量、注入間隔及び注入温度のうち何れか１つ以上を調節する段階を含む請求項１に記載の鋳造方法。
前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属を順次に注入する度に、前記金型内に収容された前記溶融金属の固液界面の曲率が順次に小さくなるように、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含む請求項１に記載の鋳造方法。
前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属を分割するが、分割された前記溶融金属の少なくとも何れか１つは、分割された前記溶融金属の少なくとも他の何れか１つと容量が互いに異なるように分割し、該分割された前記溶融金属をそれぞれ前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含む請求項１に記載の鋳造方法。
前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属を分割するが、分割された前記溶融金属の少なくとも何れか１つは、分割された前記溶融金属の少なくとも他の何れか１つと容量が互いに異なるように分割し、相対的にさらに大きな容量の前記溶融金属を先に注入し、相対的にさらに小さな容量の前記溶融金属を後で注入するように順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含む請求項１に記載の鋳造方法。
前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階は、前記溶融金属を定量分割して、分割された前記溶融金属をそれぞれ前記鋳造空間に順次に注入するが、注入間隔を置いて不連続的に複数回注入する段階を含む請求項１に記載の鋳造方法。
前記金型は、断熱コーティングされた金型を含み、前記溶融金属を注入する段階以前に脱ガス処理する段階をさらに含む請求項１に記載の鋳造方法。
金型内に形成された鋳造空間に充填される溶融金属を注入する鋳造装置であって、
前記溶融金属を収容するメインチャンバと、
前記メインチャンバに形成された孔と直接連通されると共に、前記メインチャンバの下部から突設されて、前記溶融金属の出入用流路を提供するノズルと、
前記メインチャンバに形成された孔を開閉するように設けられるストッパーと、
前記メインチャンバに形成された孔を開閉することによって、前記溶融金属を分割して前記鋳造空間に複数回にわたって順次に注入するが、前記金型内に収容された前記溶融金属の未凝固液相の上面が、前記金型と離隔せず、当接するように設定された注入間隔を置いて不連続的に注入すべく、前記ストッパーの動きを調節する制御部と、
を含む鋳造装置。